基于案例教学的“计算机系统基础”课程教学研究

边玲燕，史海涛

（中国石油大学（北京）克拉玛依校区，新疆 克拉玛依 834000）

“计算机系统基础”（ICS）是计算机专业本科生必修的主干课程，是计算机系统能力培养的核心课程[1]。然而，计算机内部原理的非直观性给“计算机系统基础”的教学过程带来了如下挑战：①难学难教。“计算机系统基础”课程知识点密集且知识点大多生涩抽象，硬件基础薄弱的学生很难理解，势必造成本门课程难学难教的现状。②知识点组织松散。复旦大学张为华教授[1]指出“计算机系统基础”教学效果不够理想的一个主要原因是现有教材的内容组织存在不足，使学生对知识的理解存在片面性。另外，授课过程中没有考虑与前导课程之间的衔接，无形中提高了入门难度。不仅是复旦大学，这也是中国高校“计算机系统基础”授课过程中存在的普遍问题。

传统理论课授课方法以“讲授法”为主，忽略了学生的主观能动性。案例教学法强调可操作性和实践性，将理论与实践相结合，达到了抽象理论知识向具象实践应用转化的目标[2]。良好的教学案例能够体现知识的完整结构，通过典型的案例分析引导学生主动思考、讨论、质疑和解决问题，从而更加激发学生主动学习的热情。“计算机系统基础”课程应用性强的特点为案例教学融入“计算机系统基础”提供了可能。

1 融入案例教学的优势

“计算机系统基础”课程教学过程中涉及的计算机系统基本原理是全方面的，例如处理器架构、存储架构、程序的机器级表示、程序链接等。在传统教学模式下，“计算机系统基础”理论知识的教学过程往往枯燥且难以理解。案例教学法可以使学生直观感受到如何将理论知识应用到计算机实际问题中，激发学生课堂积极性，强化学生对计算机整体系统的认知能力。

1.1 抽象知识具象化

“计算机系统基础”涉及的计算机原理大都在芯片内部，例如数据的存储、指令的执行等这类学习内容生涩抽象。结合实际教学案例和多媒体，学生可以直观体会所学知识的具体应用过程。具有可操作性的教学案例使抽象知识具象化，课堂知识更生动，激发学生学习理论知识的兴趣[3]。

1.2 知识结构系统化

“计算机系统基础”课程内容组织存在不足。在传统授课模式下，各个知识点独立，缺少与先修课程中相关知识点的联系，增加了整体系统认知的难度。案例教学有助于培养学生的系统能力。良好的教学案例可体现知识的完整结构，有意识地构建系统化的教学案例，挖掘知识背后的内容，通过实际的教学案例引导学生把握各知识点之间的联系，进而逐步提高计算机专业系统能力。从本质上说就是引导学生把教材中蕴含的知识结构、理论逻辑转化为自己的认知结构[4]。

1.3 理论与实践相结合

传统教学模式以教师讲授理论知识为主，课堂气氛沉闷，影响学生学习热情。对于“计算机系统基础”这类应用性强的课程，合理的案例教学能够将枯燥的理论知识与实际应用相结合，不仅能够深化学生对理论知识的理解，而且可以培养学生的动手实践能力，实现理论与实践的结合。

2 案例教学法的设计与实施

2.1 知识点梳理

“计算机系统基础”课程授课过程存在挑战的原因之一是知识点散乱，与先修课程联系紧密但缺乏衔接。计算机系统是相互协调的完整系统。传统课程体系中，计算机的基本原理分散在各个章节，割裂了计算机系统概念之间的联系[1]。Bryant 的教材[1]按照程序的表示、组织、运行和相互间交互的自然顺序组织，教材内容与先修课程联系紧密，但是缺乏知识点之间的过渡。本校“计算机系统基础”课程一般在大二开设，其先修课程“数字逻辑”在大一开设。先修课程与“计算机系统基础”课程分处不同学年，虽然提供了充裕的学习时间，但是割裂了课程之间的连续性，不利于整体把握。为更高效改善教学现状，首先对先修课程中“计算机系统基础”课程所涉及到的知识点进行梳理，确定教学内容中欠缺的先导知识点，促进课程间的衔接。通过与学生交流，结合自身教学经验，分析归纳“计算机系统基础”课程教学过程中需要融合案例教学法的困难知识点。

2.2 教学案例设计

依据“计算机系统基础”具体教学要求和教学大纲，对归纳总结出的困难知识点进行案例设计。优秀案例的设计要求教师充分掌握课外计算机案例与课程内容之间的联系，能够融合相关各类理论知识。除此之外，良好的案例设计还需要考虑案例的可操作性、生动性，从而达到降低课程教学难度的目的。

针对不同困难知识点的困难之处，设计了不同的教学案例。例如：对于抽象知识点“数据的大端/小端存储方式”，要求学生编写C 语言代码检测个人电脑属于哪种存储方式，并利用所学知识分析结果。该案例设计融合了硬件理论与高级语言编程，实现了理论与实践的结合，体现了计算机系统的整体性。对于与先修课程联系紧密的知识点“算术逻辑单元（ALU）的构成”，为方便学生理解ALU 的内部结构，将复杂知识点拆解为循序渐进的四个子任务，即一位加法器的构建、四位串行加法器的构建、四位可控加减法器的构建、四位算术逻辑单元的构建，为每个子任务设计相应的可操作案例。根据ALU 自然发展顺序，抽丝剥茧层层拆分，有助于学生深入了解ALU 发展，避免必要系统知识的缺失。

2.3 案例教学实施

案例教学实施过程可以分为创设教学情境、案例展示分析、评价反馈。

2.3.1 创设教学情境

由于内容复杂概念抽象，单纯采用“讲授法”往往导致部分学生跟不上课堂节奏，学习积极性严重被打击，这并不利于教学活动的正常展开。案例教学最直观的教学方法体现在创立一种良好的情景教学模式，在日常教学中适时创设有效的教学情境有助于吸引学生注意力，提高学习主动性。这就要求教师在课堂教学中能将理论知识与案例融会贯通，适时引出教学案例，提高学生学习兴趣。教学情境的创设方式多种多样，可以通过多媒体演示、实物演示、历史故事讲解，也可以与实际案例展示相结合。比如，在学习知识点“冯诺依曼结构”时，通过名人轶事引出冯诺依曼结构的由来；在讲授知识点“磁盘结构”时，通过磁盘实物激发学生的好奇心，进而引出磁盘的内部结构和工作原理；在学习“数据的大端/小端存储方式”时，向学生们展示相同C 程序在不同存储方式机器上的运行结果不同，这与学生原有认知相悖，必然会激发学生的求知欲，由此引出理论知识便顺理成章。在枯燥的理论授课中穿插生动有趣的教学情境，有助于提高学生的课堂注意力。

2.3.2 案例展示讲解与拓展

案例教学过程按照案例展示、案例讲解、案例拓展的顺序展开。

将教学案例效果展示放在第一步可以有效抓住学生的目光，使学生带着疑问进入接下来的环节，相比于单一的讲授方式更能激发学生的好奇心和学习热情。在此基础上，教师作为主导分析讲解教学案例，由此引出教学内容；学生作为主体，积极参与案例的讨论分析。案例拓展阶段需进一步深化案例教学，将知识点转化为实际应用，提出更深层的问题，要求学生根据所学内容设计案例效果的实现方式。大大激发了学生学习的热情，理论教学与案例实践相结合充分体现了学生的主观能动性。

下面以知识点“数据的大端/小端存储方式”为例对案例教学过程展开讲解。在案例展示阶段，教师运行案例代码展示教师机的存储方式，展示同一高级语言代码在不同机器上的不同运行结果，从而激发学生的求知欲。在案例讲解阶段，学生带着疑问进入理论知识讲授环节，教师为主导引出教学内容“大端/小端存储方式”，并讲解相关内容。在案例拓展环节，基于学生已经学习过C 语言，学生结合union 类型及大端/小端存储方式的特点设计C程序判断PC机存储方式。该教学案例考虑了计算机专业的系统性，使知识点连贯，真正将理论知识转化成了应用实践。

2.3.3 评价反馈

教师对学生案例作业完成情况进行点评，一方面帮助学生进一步扩宽思维，实现新的突破；另一方面，可以根据学生的实践结果及课堂反馈及时发现存在的教学问题。良好的评价反馈环节有助于实现教学效果最大化。

3 结束语

将案例教学法融入“计算机系统基础”课程，实现了理论教学与实践应用的结合，充分发挥了学生的主观能动性，促进了学生计算机系统能力的培养。结合案例教学法的优势，“计算机系统基础”课程教学取得了一定的教学成果。经过两届教学实践活动，学生课堂成绩与课堂满意度均有显著上升，提高了学生综合理解系统能力和动手能力。